电动汽车电池管理系统模拟设备的研制

汤向华+刘辉+杲先锋+钱俊伟+汪兴兴

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.32.025

摘 要：基于嵌入式技术，研制了电动汽车电池管理系统（BMS）模拟设备，由插件模块、CAN收发模块和中央处理模块等组成。该BMS模拟设备融合了收集到的不同厂家充电桩的通信握手流程和国标通信流程，实现了与不同厂家的充电桩按照厂家标准进行数据交互；实现了与不同厂家的充电桩按照国家标准进行数据交互；实现了模拟各不相同发送周期的车上CAN数据与发送；可根据固化在程序中的各厂家电池充电时的变化曲线，充电时可以智能识别电池参数变化是否符合曲线标准，对不符合标准的情况能够做到实时报警。该BMS模拟设备具有小型化和携带方便的特点。

关键词：电池管理系统 模拟设备 电动汽车 新能源汽车

中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0025-03

随着全球经济发展以及城市环保等问题的日益突出，汽车业由传统的内燃机车向新能源汽车转型， 新能源汽车已被世界各国所看重，我国政府先后组织“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”和“新能源汽车推广应用工程”等国家重大工程，有效地促进了我国新能源汽车的发展，电动汽车以零排放和噪声低等优点已成为新能源汽车最主要的发展方向之一[1，2]。电池管理系统（Battery Management System， BMS）[3-5]作为发展电动汽车的关键技术之一，倍受人们的关注，是电动汽车产业化的关键。

按照充电标准GB/T 27930—2011《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》的要求[6]，电动汽车在充电过程中，要求充电桩与BMS交互通信，并实时监控电池的温度、电压等。当前，由于充电标准制订晚、标准普及不到位等原因，各个汽车厂家的BMS也千差万别，不符合“GB/T 27930—2011”要求的BMS普遍存在。这给充电桩企业研发和推广充电桩带来了现实困难。充电桩企业力求研发的充电桩能适配所有的电动汽车，但是采用电动汽车实车作为检测装置，将面临测试使用不方便、测试内容不全面、无法模拟真实故障、辅助电源系统无法验证、车辆动力电池充放电耗时耗力、频繁充放电导致电池寿命缩短等问题，而且当充电桩故障时可能会导致测试车辆损坏，这就亟需开发一种能模拟电动汽车BMS通信的设备。

1 BMS模拟设备总体设计

目前，市面上BMS模拟装置主要应用于直流充电桩产品的在线调试、下线检测、老化试验以及功能验证，能够部分模拟充电过程，但是体积庞大，运用及携带都极其不方便，并且设备只能做到专一对应，无法智能识别不同厂家充电桩， 该文拟采用嵌入式技术，研发一套BMS模拟设备，该设备的数据来源主要是收集的主流厂家的BMS总线数据，系统按照GB/T 27930—2011的要求将数据、通信流程、控制机制固化在设备中，通电后可以自动地将实时BMS的报文向CAN总线上发送，报文主要包括电池的温度信息、电池的总电压信息、电池的单体电压信息、电池的绝缘电阻信息、电池的SOC信息等。当接入外接设备后，可以自动实现与充电桩的握手、控制充电。

BMS模拟设备系统框图如图1所示。BMS模拟设备主要包括：插件2、CAN收发模块3和中央处理模块共43个模块。该模拟设备通过接插件2与充电桩1相连接，既可以按照厂家标准与充电桩1握手、控制充电，也可以按照充电标准“GB/T 27930-2011”的要求，与充电桩1握手、控制充电。该模拟装置能够自动地将实时温度、电压、电流、SOC、握手等信息通过CAN收发模块3与充电桩1交互通信。

该BMS模拟设备中温度模拟模块5、电压模拟模块6、电流模拟模块7、SOC模拟模块8、握手信息收发模块9、报警模块10和显示模块11分别与中央处理模块4相连接。其中电压模拟模块6包括总电压模拟模块61和单体电压模拟模块62。通信过程中出现的异常情况通过报警模块10发出警报并在显示模块11显示，从而实现对不同充电桩1的自动握手识别和充电控制，使生产出的充电桩1能适配所有的电动汽车。

中央处理模块4通过CAN收发模块3与接插件2相连接。中央处理模块4主要实现的功能包括趋势分析、异常检测、报文解析和报文发送。

（1）趋势分析：充电桩充电后，正常情况下各个参数应该是上升趋势，设备可以根据充电桩发出的数据计算出各参数数据并传回充电桩。

（2）异常检测：通过大量的数据收集，分析并掌握了充电时的电压电流和SOC等关键数据的变化曲线，设备搭载的程序可以在充电时实时检测这些数值的变化，检测是否发生异常或超出范围。

（3）报文解析：可分为选择单元、判断单元、提取单元、处理单元。选择单元根据接收到的选择指令，从所有的服务中选择出至少一个服务，并获取至少一个服务的预提取参数信息；判断单元，获取服务调用请求，确定服务调用请求所属的服务，并判断服务是否和至少一个服务相匹配；提取单元，在判断结果为是时，解析服务调用请求，以获得解析结果，并根据预提取参数信息从解析结果中提取出所需的報文信息；处理单元，用于根据接收到的处理命令，对提取出的报文信息进行相应的处理操作。

（4）报文发送：把提取出的报文信息通过CAN收发模块发送给充电桩。

2 BMS模拟设备制作及应用效果分析

2.1 硬件设计与实现

BMS模拟设备结构原理图如图2所示，采用三端稳压器将车用12 V直流电源转换为5 V，给集成处理芯片和CAN、LIN收发器供电。集成处理芯片采用C8051F500-IQ，C8051F500-IQ具有1Mbit/S的高速BeCan2.0B接口，可以通过CAN收发器连接到车辆上的CAN网络，进行数据传输。局域互联网络（LIN）标准是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通讯网络，是对控制器区域网络（CAN）等其他汽车多路网络的一种补充，适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用。LIN总线是基于SCI（UART）数据格式，采用单主控制器/多从设备的模式，是UART中的一种特殊情况。C8051F500-IQ的USART具有单主控制器模式的LIN通信功能，可以通过LIN收发器连到车辆上的LIN网络，进行数据传输。烧录程序采用单线接口模式SWIM，方便简单。指示灯分别表示电源的通断及CAN的通信状态。开关用来选择CAN通信和LIN通信模式。图3给出了BMS模拟设备的关键电路板照片。

此外，采用U2carbus数据转换器作为数据转换设备。U2carbus用于通过计算机USB接口扩展汽车总线接口来调试汽车类通信总线，U2carbus扩展2个can总线接口和2个Lin总线接口；USB接口符合USB2.0规范，即插即用；U2carbus自带12 V电池电源发生器用于单线can总线和Lin总线接口芯片供电，和其他设备通信时可不连接电池电源线；配套的数据调试软件Uart2any用于监视和调试设备通信。U2carbus适用于如下场合：对车辆总线通信的诊断、监测及故障分析；车辆用总线产品的研发；Can总线设备通信监测及维护；Lin总线设备通信监测及维护；其他can、Lin总线适用场合的测试、数据分析。U2carbus的can总线特性符合CAN 2.0A和2.0B，支持单总线can和双总线can；U2carbus的Lin总线特性符合Lin规范V1.x和V2.0，支持主、从模式，睡眠模式，所有的总线接口具备完善的保护措施。

2.2 应用效果分析

BMS模拟设备工作流程如图4所示，主要包括开始、与充电桩握手、识别充电桩厂家、发送握手反馈信息、接收充电桩数据、分析数据是否符合电池变化曲线及具体执行流程——发送数据，或改变本地电池数据，并向充电桩发送反馈数据。该BMS模拟设备融合了收集到的不同厂家充电桩的通信握手流程和国标通信流程，做到了可以根据不同厂家充电桩智能识别及握手，并且根据长期的数据收集、研究、分析之后得出了各厂家电池充电时的变化曲线并固化到程序中，充电时可以智能识别电池参数变化是否符合曲线标准，对不符合标准的情况能够做到实时报警。

应用过程中分别采用额定数据和厂家模拟BMS数据进行了试验，测试了不同发送ID、不同波特率（500K和250K）在300 ms的额定发送周期下具体执行情况，通过测试数据可知，该BMS模拟设备，能按照预定的周期接收相对应的报文数据，且性能稳定。

综上分析，该BMS模拟设备实现了充电桩与设备的模拟通信、数据交换流程以及握手机制等，具体包括以下特点：（1）该设备采用嵌入式开发技术，设备体积小、携带方便、兼容性强；（2）该设备基于CAN总线模拟各不相同发送周期的车上数据，并进行发送；（3）能够实现与不同厂家的充电桩的按照厂家标准进行数据交互；（4）能够实现与不同厂家的充电桩的按照国家标准进行数据交互；（5）工作过程中出现异常情况能够发出报警报文。

3 结语

该文基于嵌入式技术研制的BMS模拟设备具有小型化和携带方便的特点。该BMS模拟设备融合了收集到的不同厂家充电桩的通信握手流程和国标通信流程，做到了可以根据不同厂家充电桩智能识别及握手，并且根据长期的数据收集、研究、分析之后得出的各厂家电池充电时的变化曲线并固化到程序中，充电时可以智能识别电池参数变化是否符合曲线标准，对不符合标准的情况能够做到实时报警。

参考文献

[1]张政，厉丹彤，冯小保，等.新能源汽车的发展现状及其展望[J].化工新型材料，2015，43（3）：1-3.

[2]賈燕红，王浩，张锐，等.新能源汽车的发展现状与前景的研究[J].汽车实用技术，2014（3）：11-13.

[3]夏正鹏，汪兴兴，倪红军，等.电动汽车电池管理系统研究进展[J].电源技术，2012，36（7）：1052-1054.

[4]汪世国.电动汽车电池管理系统（BMS）现状分析[J].汽车实用技术，2014（2）：65-67.

[5]黄捷.纯电动汽车锂电池管理系统的研究[J].科技资讯，2012（12）：4-5.

[6]能源行业电动汽车充电设施标准技术委员会.电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议：GB/T 27930—2011[S].北京：中国标准出版社，2012.